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1、混凝土结构材料的物理力学性能,2.1 混凝土的物理力学性能 2.2 钢筋的物理力学性能 2.3 混凝土与钢筋的粘结,2.1 混凝土的物理力学性能,一、单轴向应力状态下的混凝土强度,混凝土强度等级：边长150mm立方体为标准试件，在标准条件下（203，90%湿度）养护28天，用标准试验方法测得的具有95%保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，C30表示fcuk=30N/mm2 混凝土强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级，级差为5N/mm2。从C50C80为高强混凝土。,1、立方体抗压强度fcu 混凝土强度等级,影响立方体抗压强度的因素：,试验方法：压力机垫板的横向摩擦约束，造成混凝土试
2、块端部处在多轴受力状态，就象在试件上下端各加了一个套箍，致使破坏时形成两个对顶的角锥破坏面，抗压强度高于无约束情况。,不涂润滑剂,试件尺寸，试验方法，加载速度，加载龄期,未采取减摩措施,采取减摩措施后,加载速度：加载速度越快，测得的强度越高。通常取每秒0.20.3N/mm2。,加载龄期：立方体抗压强度随着加载龄期的增长，开始增长较快，后期较慢。,2、轴心抗压强度棱柱体抗压强度fc,轴心抗压强度采用棱柱体试件测定，用符号fc表示，比较接近实际构件中混凝土的受压情况。棱柱体试件高宽比一般为h/b=23，我国通常以150mm150mm300mm的棱柱体试件为标准试件。不采取减摩措施。对于同一混凝土，
3、棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。棱柱体抗压强度和立方体抗压强度的换算关系为，,3、轴心抗拉强度ft,抗拉强度是混凝土的基本力学指标之一，用符号 ft 表示。混凝土构件开裂、裂缝、变形，以及受剪、受扭、受冲切等的承载力均与抗拉强度有关。,由于混凝土的离散性以及安装偏差，造成轴心受拉试验对中困难，也常常采用立方体或圆柱体劈拉试验测定混凝土的抗拉强度。,轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系：,二、 复合应力状态下的混凝土强度,1、双轴应力状态,Biaxial Stress State,双向受压区：一向强度随另一向压力的增加而增加，双向受压强度比单轴强度最多提高27%。,双向受拉区：抗拉强度与单轴抗拉
4、强度相当。,双向拉压区：抗拉强度与抗拉强度均较单轴强度低。,(4)由于剪应力的存在，抗拉、抗压强度均低于单轴抗拉、单轴抗压强度。,0.6,(3)当压应力继续增大，抗剪强度将随压应力的增大而减小。,混凝土的抗剪强度：,(1)随拉应力增大而减小,(2)刚开始随压应力增大而增大，当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大,2、三轴应力状态,三向受压状态,Triaxial Stress State,实际工程遇到较多的螺旋箍筋柱和钢管混凝土柱中的混凝土为三向受压状态。,三、混凝土的变形Deformation,1、混凝土在一次短期加载下的变形性能,（1） 混凝土受压时的应力应变关系Stress- str
5、ain Relationship,（一）混凝土的受力变形,混凝土变形,受力变形一次短期加载、荷载长期作用和多次重复加载作用下产生的变形。,体积变形硬化过程中的收缩以及温度和湿度变化。,上升段,下降段,OA段加载至(0.30.4)fc，变形主要是骨料和水泥结晶体受力产生的弹性变形。,AB段裂缝稳定扩展阶段，B点的应力可以作为长期抗压强度的依据。,BC段不稳定裂缝扩展阶段， C点的应力为棱柱体的抗压强度fc，相应的应变称为峰值应变 ，一般在0.002附近。,下降段CE是混凝土达到峰值应力后裂缝继续扩展、贯通。C点后，裂缝迅速扩展，内部结构的整体受到严重破坏，赖以传递荷载的传力路线不断减少，应力强度
6、不断下降，曲线先下弯，直到凹向发生改变，出现拐点D。D点后，只靠骨料间的咬合力和摩擦力与残余承载面承受荷载。,不同强度混凝土的应力-应变关系曲线,强度等级越高，上升段和峰值应变的变化不显著，但，下降段的形状有较大的差异，强度越高，下降段越陡，即延性越差。,（2） 应力应变曲线的数学模型,a. 美国E. Hognestad建议的模型,b. 德国Rush建议的模型,（3） 三向受压状态下混凝土的变形特点,混凝土试件横向受到约束时，既可提高强度，又可提高变形能力，即提高延性。,约束混凝土的概念：混凝土受压后微裂缝的发展导致横向变形的 增大。如果对横向变形施加约束，就可以限制微裂缝的发展，从而 可提高
7、混凝土的抗压强度和变形能力。,（3） 混凝土的弹性模量、泊松比和剪切模量,弹性模量（原点模量） Elastic Modulus,弹性系数 t(coefficient of elasticity) 随应力增大而减小,（一） 混凝土的弹性模量,（二） 混凝土的泊松比,（三） 混凝土的剪切模量,2、混凝土在长期荷载下的变形性能-徐变Creep,结构或材料承受的荷载不变，而应变和变形随时间增长的现象称为徐变。徐变主要与时间参数有关。,徐变对结构的影响：结构的变形增加（如受弯构件的挠度）；截面中应力重分布（如轴心受压构件）；引起预应力损失。,影响徐变的因素：应力因素；内在因素；环境因素。,a. 应力大小
8、应力越大徐变也越大；当应力较小时，徐变与应力成正比，称为线形徐变，应力较大时，徐变变形比应力增长要快，称为非线形徐变。（见图2-18）,b. 骨料弹性性质骨料越坚硬，弹性模量越高，对水泥石徐变的约束作用越大，混凝土徐变越小；,c.混凝土组成水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大；,d. 加载龄期龄期越早，徐变越大；（见图2-19）,e.混凝土的制作方法、养护条件特别是养护时的温度和湿度对徐变有重要影响，养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小。,3、混凝土在重复荷载下的变形性能,e,s,当初始应力大于0.8fc,4.混凝土的收缩与膨胀,温度变形受到约束时，产生的温度应力对水工混凝
9、土危害性极大。,混凝土失水干燥时会产生收缩（干缩），已经干燥的混凝土在置于水中，混凝土又会发生膨胀（湿胀）。,按化学成分,碳素钢,低合金钢在碳素钢基础上加入少量的硅、锰、 钛、钒、铬等合金元素。有效提高钢 材的强度，改善钢材的其它性能。,低碳钢含碳量0.25%,中碳钢含碳量0.25%0.6%,高碳钢含碳量0.6%1.4%,除铁外，含少量碳、硅、锰、硫、磷,第2节 钢筋的物理力学性能,2.2.1 钢筋的品种 (Steel Reinforcement),热轧钢筋 HPB235级、HRB335级、HRB400级、RB400级,钢筋混凝土结构设计规范规定的钢材品种,预应力钢绞线由多根高强钢丝捻制在一起
10、经过低温回火处理清除内应力后制成。,消除应力钢丝 将钢筋冷拔后，校直，经中温回火消除应力并经稳定化处理的钢丝，分为：光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。,热处理钢筋 将热轧的螺纹钢筋再通过淬火和回火的调质热处理， 显著提高强度。,刻痕钢丝,螺旋肋钢丝,（一）软钢,Steel bar with yield point,屈服阶段,弹性阶段,a（比例极限）,f,b(屈服上限）,c(屈服下限）屈服强度,d,e（极限强度）,强化阶段,破坏阶段,0, 曲线,变形性能,伸长率：,冷弯角：,钢筋沿一个规定直径的钢辊弯转，不产生裂纹或断裂的最小弯转角度。,2.2.2 钢筋的强度与变形,（二）硬钢 Steel bar
11、 without yield point,a点前：应力-应变关系为线性 a点后：应力-应变关系为非线性协定流限：经过加载和卸载后尚存有0.2%永久残余变形时的应力.,（三）冷加工钢筋 1、冷拉钢筋 冷拉：将钢筋拉伸超过其屈服强度，然后放松，经过一段时间后，钢筋就会获得比原来屈服强度更高的屈服强度。,0, 曲线,k,冷拉时效：钢筋冷拉超过屈服强度后卸载，经过一段时间再拉伸，新的屈服强度会进一步提高，这一现象叫做冷拉时效。,2、冷拔钢筋 冷拔：在常温下将钢筋拔过比其自身直径还小的硬质合金拔丝模拉伸至屈服。,0, 曲线,冷拔钢筋力学性质改变：在抗拉和抗压强度提高，塑性下降很多,第3节 钢筋应力-应变
12、曲线的数学模型,1、理想弹塑性的双直线模型,2、理想弹塑性加硬化的三折线模型,3、弹塑性的双斜线模型,第3节 钢筋与混凝土的粘结 Bond,一粘结的意义,钢筋与混凝土之间的粘结是钢筋和混凝土形成整体、共同受力的基础和基本前提。,光圆钢筋与变形钢筋具有不同的粘结机理。,光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由三部分组成：,a. 钢筋与混凝土中的水泥凝胶体间的化学吸附作用力（胶着力）；,来自浇注时水泥浆体对钢筋表面氧化层的渗透以及水化过程中水泥晶体的生长和硬化。,二、粘结力的组成,b. 混凝土收缩握裹钢筋而产生摩擦力；,混凝土凝固时收缩，对钢筋产生垂直与摩擦面的压应力。压应力越大，接触面的粗糙程度越大，摩
13、阻力就越大。,c. 钢筋表面凹凸不平与混凝土之间的机械咬合作用力（咬合力）；,对光圆钢筋这种咬合力来自表面的粗糙不平。,变形钢筋的粘结主要来自钢筋表面凸出的肋对混凝土的挤压而产生的机械咬合作用。,与光圆钢筋相比，变形钢筋具有较高的粘结强度。,横向钢筋（如箍筋）可以限制混凝土内部裂缝的发展，提高粘结强度,直接支承的支座处，由于制作提供的压力约束了混凝土的变形，粘结强度得到提高,四钢筋的锚固与搭接,钢筋与混凝土共同工作的前提：钢筋能牢牢地与混凝土粘结在一起（钢筋锚固在支座中）,为钢筋外形系数；d为钢筋直径。,接长钢筋的办法：绑扎搭接；焊接；机械连接。,三钢筋的搭接,钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。,绑扎搭接是指将两根钢筋的端头在一定长度内并放，并采用适当的连接将一根钢筋的力通过钢筋与混凝土之间的粘结力传给另一根钢筋。,钢筋搭接的原则是：接头应设置在受力较小处，同一根钢筋上应尽量少设接头，机械连接接头能产生较牢固的连接力，应优先采用机械连接。,搭接长度要求：受拉钢筋：受压钢筋：,
